临沂市西安路桥空间混合桥塔设计与研究

张辉

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 2 00092）

临沂市西安路桥空间混合桥塔设计与研究

张辉

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 2 00092）

临沂市西安路祊河大桥为独塔斜拉桥，桥塔采用三根塔柱组成的空间异形混合桥塔，介绍了桥塔的总体设计方案。着重分析空间异形混合桥塔锚索区、塔柱钢混凝土结合部、塔柱间的连杆等重要节点的构造及受力性能，三根塔柱整体受力性能、拉索锚固区钢结构局部受力、塔柱钢混凝土结合部受力、塔柱间的连杆受力等关键设计技术，可为类似工程的设计提供参考。

斜拉桥；空间混合桥塔；钢混凝土组合结构；连杆

1 项目概况

西安路祊河大桥是西安路向西延伸跨越祊河的重要过河通道，西侧与聚才七路相接，桥位距上游G327（北外环）祊河桥约1.3 km。西安路祊河大桥主桥采用独塔混合梁斜拉桥，桥跨布置为110 m+110 m=220 m，桥宽44.6 m。主塔为空间异型混合结构，由中间及两侧三个箱型截面塔柱构成，塔柱间设空间水平联结系，整个桥面的拉索布置为混合索面布置，西侧主跨拉索采用空间扇形双索面布置，东侧主跨拉索采用中央扇形双索面布置。由于桥塔结构空间结构复杂，设计与施工可借鉴经验较少，桥塔锚索区、塔柱钢混凝土结合部、塔柱间的连杆等重要节点的构造及受力性能，三根塔柱整体受力性能、拉索锚固区钢结构局部受力、塔柱钢混凝土结合部受力、塔柱间的连杆受力等关键设计技术。图1为主桥总体立面布置图。

图1 全桥总体布置图

2 主塔的总体方案及布置

主塔为空间异型结构，由中间及两侧三个塔柱构成全高105.0 m。从结构的耐久性和经济性方面考虑，桥面以上采用钢结构，塔高87.0 m，桥面以下采用C50高性能混凝土结构，塔高18.0 m，，钢塔柱与混凝土塔柱之间设3.5 m长钢混凝土结合段。三根独立塔柱之间从下往上依次设置1道大横梁及17道空间水平连杆，并在塔顶将三根塔柱交汇连接在一起，于是三根塔柱连接组成空间结构共同受力体系，增强了塔柱受力的稳定性及整体性。

中塔柱和边塔柱均采用梯形箱型截面，中塔柱塔底截面后壁板宽2.4 m，前壁板宽2.8 m，截面高7.2 m，塔顶截面后壁板宽2.4 m，前壁板宽2.532 m，截面高2.37 m；边塔柱塔底截面前壁板宽2.4 m，后壁板宽2.8 m，截面高5.7 m，塔顶截面前壁板宽2.4 m，后壁板宽2.566 m，截面高2.37 m。塔柱截面均沿塔柱中心线线性进行变化，中塔柱和边塔柱中心线线形均由直线段+圆弧段构成，圆弧段半径分别为145 m（中塔柱）、125 m（边塔柱）。

塔柱采用三维设计，主塔各构件的三维构造示意见图2。

3 桥塔关键节点构造[1,2]

3.1 拉索锚固区钢主塔构造

全桥共设28对斜拉索，塔上索距为2.4～3.2 m。根据整个塔柱的构造及受力需要，在钢塔柱箱型截面内设置锚固横梁，锚固横梁的顶底板和腹板与各塔柱侧壁焊接。根据受力及构造情况，塔柱侧壁板厚25 mm，竖向加劲采用一字肋，加劲尺寸为240 mm×22 mm，塔柱前后壁板根据受力大小采用20～30 mm，采用竖向一字加劲肋。

图2 主塔三维结构构造示意

为保证塔柱整体受力以及平衡各塔柱拉索索力，在每道拉索锚梁位置设置塔柱间横向钢连杆，横向钢连杆采用箱型断面，截面高0.5 m，横向宽度根据受力需要为0.35～0.8 m，连杆顶底板后25 mm，直接与塔柱上的连接节点板焊接。节点板顶底板与锚固横梁区域设置的上下两道横隔板对应焊接，横隔板与塔柱间连杆的顶底板面对应，保障拉索力通过钢锚梁传递至各钢塔柱，再通过连杆平衡各塔柱的水平分力，保证整个塔柱的刚度及整体稳定性。

由于钢塔柱为非规则截面，考虑到结构受力、钢结构加工运输和现场安装方便等多种因素，将钢结构中塔柱按照高度方向分为12各节段，边塔柱按照高度方向分为10各节段，最大起重起吊质量约75 t，钢塔柱间采用全焊接方式连接，见图3。

3.2 索塔钢混凝土结合段构造

钢混凝土结合段一般设置于结构弯矩较小的位置，这样有利于混凝土结合段结合部位的受力。本塔柱根据塔柱结构造型及受力的需要，钢混结合段位置选在在弯矩较小的塔柱与主梁交汇的位置。塔柱钢混结合段采用承压传剪式连接形式，结合段长度为3.5 m，由塔柱钢结构传力段、钢塔柱内填充混凝土传力段以及设置的前后承压板共同组成钢混结合段的受力体系。

结合段范围钢结构内填充C50高性能自密实低收缩混凝土（内掺聚丙烯纤维），其外设50 cm厚外包混凝土（材料同填充混凝土）。主塔结合段主要传力构件为PBL开孔板连接件、上下承压板和焊钉。PBL开孔板连接件主要由前后壁板、侧壁板、中壁板及其上的竖向加劲肋开孔形成，开孔直径为80 mm，孔内贯穿25 mm钢筋。壁板及其加劲肋沿竖向共设置15排开孔，竖向间距220 mm，前后壁板加劲肋在结合段范围内加高为440 mm，水平向设置两排80 mm孔，侧壁板及中壁板加劲肋宽240 mm，水平向设置单排80 mm孔。PBL连接件孔按水平向开设。焊钉采用22×200 mm圆柱头焊钉，布置于前、后壁板及侧壁板外侧，竖向共设置14排，竖向间距220 mm。剪力钉垂直于钢板布置，结合段前后承压板采用板厚40 mm的钢板。

钢混凝土结合段底部设置4个定位底座，便于钢塔柱的安装、定位，并预留一定的长度与结合段内混凝土一起浇筑。在前后承压板上设置人孔、振捣孔及冒浆孔，以保证施工时下料和混凝土浇筑振捣的密实性。为确保钢混结合段在不利荷载下始终处于受压状态，根据受力需要，中塔柱和边塔柱结合段分别设置23束和13束φ15.20-15的竖向预应力钢束。钢束张拉结束后设置1m高封锚混凝土。

3.3 塔柱间连杆构造

由于塔柱构造的特殊性，决定了三根塔柱之间的连接杆件为传递各塔柱之间的内力及增强塔柱受力的稳定性和整体性的重要构件。塔柱之间设置17道水平连接系，每道水平连接系的连杆在平面内形成一个三角形的布置，三角形的稳定性对于整个塔柱的整体受力及稳定性起到了关键的作用。每道水平连接系的三根连杆的拉压状态随着塔柱高度及是否位于拉索锚固区发生交替变化，根据连杆的受力状态确定每根连杆的截面尺寸。为了景观的需要，连杆统一采用箱型截面，没根连杆为等截面布置，根据受力需要截面高变化从0.5～0.7 m，宽变化从0.35～0.8 m。距桥面17.6 m处设置一道大横梁，此位置位于三根塔柱的空间交汇处，横桥向采用直线形布置于三根塔柱之间，此横梁对于确保三根塔柱下部的整体稳定和平衡边塔柱的扭转作用非常重要。大横梁采用箱形截面，截面高度为1.0 mm，宽度为2.0 m，顶、底板板厚40 mm，腹板厚30 mm。

4 结构受力特性分析

4.1 总体受力分析

全桥的总体受力分析采用MIDAS有限元分析软件，按照空间梁格单元模拟主梁，对塔柱其他构件采用梁单元模拟。分析得出，在最不利荷载组合下，钢塔柱的中塔柱最大压应力为136 MPa，边塔柱最大压应力为132 MPa，连杆的最大拉应力为138 MPa，出现在最顶层的连杆位置。最下面的大横梁的最大压应力为135 MPa。钢结构受力满足设计要求，处于安全状态。对于混凝土下塔柱中塔柱的最大压应力为7.2 MPa,全截面处于受压状态，未出现拉应力。对于混凝土下边塔柱最大压应力为10.6 MPa，最大拉应力为1.3 MPa，结构满足设计要求。

4.2 拉索锚固区受力分析

拉索锚固区结构的受力情况比价复杂，采用Midas FEA有限元分析程序对拉索锚固区进行实体建模数值分析。图4为拉索锚固区精细化分析模型及14对拉索锚固区在最不利拉索荷载作用下，拉索锚固区的应力分布图。从图上我们可以看出，所有钢锚箱中大部分钢板应力水平在70 MPa左右，钢锚箱与塔壁连接处大部分应力水平在125 MPa，局部区域应力集中，最高应力可达到180 MPa左右。钢塔的拉索锚固区的构造对拉索索力的传递路径是比较清晰合理的，拉索索力通过锚箱传递给塔柱，塔柱之间通过连杆平衡拉索索力，最后使塔柱形成一个整体稳定的受力体系，因此拉索锚固区的设计是相对合理的。

4.3 塔顶塔柱交汇处受力分析

图4 拉索锚固区精细化分析模型及锚箱Mises应力分布（单位：MPa）

塔柱造型的设计思路就是三根塔柱在空间相互交汇一起形成一个空间优美的造型。从结构的受力上，三根塔柱的交汇处是整个塔柱的受力比较复杂。为了真实的了解三塔柱交汇处的受力情况，依然采用Midas FEA有限元分析程序对三塔柱交汇处进行精细化建模分析。图5为三塔交汇处在全桥最不利荷载组合作用下该区域的应力分布图。从图上我们可以看出，塔柱交汇处塔壁的大部分应力分布在0～60 MPa之间，应力较大值出现在锚箱以及横向联系与主塔相接处以及边中塔相接处，应力最大值为125 MPa左右。塔柱相接处局部区域出现较大的应力集中，最大应力值达到了182 MPa，整体上三塔柱交汇处的应力状态处于合理范围。

图5 最不利荷载组合下三塔柱交汇处Mises应力分布（单位：MPa）

4.4 主塔连杆的受力分析

连杆与主塔的连接形式是设计时重点考虑的一个问题。对连杆与塔柱采用铰接连接形式还是刚性接连接形式进行了分析，两种不同的连接形式对连杆的轴向力影响不是很大，刚性连接形式在连杆与塔柱刚性连接处产生较大应力，但应力处于合理状态。考虑到塔柱的整体造型和景观效果，最后选择采用连杆与塔柱刚接的处理形式。对连杆的受力采用Midas FEA有限元分析程序进行实体建模数值分析。图6为连杆在最不利荷载组合作用下连杆的Mises应力分布云图。从图可以看出主塔间连杆的应力大部分处于0～70 MPa之间，连杆与主塔相接处出现应力集中，最大应力值为140 MPa左右，连杆结构处于安全状态。

5 结 语

临沂市西安路斜拉桥采用了空间异形钢混结合型桥塔，达到了很好的景观效果。但是这种空间异形结构受力复杂，施工难度大，对结构关键部位细节的设计要求非常高。通过对主塔拉索锚固区、主塔连杆以及塔顶塔柱交汇段的受力性能及特点采用有限元程序进行精细化分析，使塔柱关键部位的受力情况及构造难点得到有效的解决，为项目的顺利建设提供了可靠的技术保证，对今后类似结构形式的设计和研究提供一定的技术参考。

图6 最不利荷载组合下连杆Mises应力分布（单位：MPa）

[1]JTG D64-01-2015,公路钢混组合桥梁设计与施工规范[S].

[2]刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社,2005.

U448.27

B

1009-7716（2017）01-0061-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.017

2016-10-26

张辉（1983-），男，陕西咸阳人，工程师，从事桥梁设计工作。